Diodenlaser für die Metallbearbeitung

Der Markt für Industrielaser wächst schnell und benötigt ständig verbesserte Strahl­quellen. Bislang war man häufig auf Faser-, Festkörper- oder Kohlen­dioxid­laser angewiesen, die zwar die notwendige Leistungs­dichte und Brillanz erreichen, aber zugleich viel Energie verbrauchen; sie haben lediglich eine maximale Effizienz von rund 35 bis 40 Prozent.

Das seit 2012 von der EU geförderte Projekt BRIDLE (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – hochbrillante Diodenlaser für industrielle Anwendungen) sollte deshalb die europäische Industrie in diesem weltweiten Wettlauf zur Entwicklung von kompakten und zugleich hoch­effizienten Lasern unterstützen. Angestrebt waren Fortschritte sowohl in den Halbleiter- als auch optischen Technologien, etwa durch die Kombination von verschiedenen Wellen­längen in einem Chip (Strahlkombination). „Ziel war es, ein Maximum an Leistung mit höchster Effizienz in einen hoch­brillanten Laser­strahl einzubringen“, sagt Paul Crump vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchst­frequenz­technik (FBH). „Diodenlaser haben dafür das beste Potenzial, weil sie die energie­effizienteste Laser­strahl­quelle und damit sehr umwelt­freundlich sind.“ Solche Diodenlaser werden bereits heute als Pumpquellen für größere Laser eingesetzt. Ziel ist es, die kleinen Dioden­laser direkt zur Material­bearbeitung in hoch­brillanten Anwendungen wie etwa zum Schneiden von Stahl einzusetzen.

BRIDLE-Projekt-Koordinator Thomas Brand sprach denn auch von groß­artigen Fortschritten, die zu Rekord-Resultaten bei etlichen der von Crumps Arbeits­gruppe am FBH neu entwickelten Diodenlaser-Designs geführt hätten. Die Forscher verbesserten das Epitaxie-Design und die Prozessierung so, dass die bisherige Standard­breite von 100 Mikro­metern der emittierenden Schicht auf 30 Mikrometer reduziert werden konnte – ohne größere Abstriche bei Effizienz und Leistung. Dadurch lässt sich die Brillanz des Laser­strahls gegenüber dem bisherigen Stand der Technik verdoppeln, was zu einer besseren Fokussierung auf einen winzigen Punkt führt und damit das Schneiden von Metallen deutlich verbessert.

Das FBH entwickelte auch neue Chipstrukturen, mit denen sich der Strahl effizient und kosten­günstig kombinieren lässt. Dafür wurde in die hoch­brillanten schmalen DFB-Dioden­laser ein neuartiges monolithisches Gitter eingebracht, das die Wellenlänge stabilisiert und optimiert. Damit ist es erstmals möglich, in einem brillanten Strahl gleichzeitig ein schmales Spektrum von unter einem Nanometer, eine hohe Leistung von fünf Watt und einen hohen Wirkungsgrad um die fünfzig Prozent zu realisieren. Zudem integrierten die Forscher mehrere Laser­streifen mit nah beieinander liegenden, abgestuften Wellen­längen in einem Chip. Solche Quellen sind für die spektrale Strahl­kombination und Leistungs­skalierung in Material­bearbeitungs­systemen besonders vorteilhaft.

Ein weiterer Ansatz beruhte auf Diodenlasern mit internen trapez­förmigen Strahl­filtern. Sie erreichen schon heute eine besonders hohe Brillanz. Ihre Umwandlungs­effizienz wurde durch BRIDLE deutlich von rund dreißig auf über vierzig Prozent verbessert. Das reicht allerdings noch nicht aus, um sie in der industriellen Material­bearbeitung einzusetzen. Zudem ist der technische Aufwand für die Bündelung der Strahlen etwas höher. Trotz der noch bestehenden Hindernisse haben die Wissenschaftler bei den Trapez­lasern wesentliche Fortschritte in der Grundlagen­forschung hinsichtlich neuartiger Ansätze bei der brillanten kohärenten Strahl­kombination erzielt, die in Kooperation zwischen FBH, LCFIO und ILT weiter vorangetrieben werden sollen. Crump und seine Kollegen sind davon überzeugt, dass eine weitere Effizienz- und Leistungs­steigerung bei Trapezlasern möglich ist.

„Da die europäischen Länder höhere Löhne als beispielsweise in Asien zahlen, haben wir von Anfang an auch die kosten­effiziente Serien­fertigung berücksichtigt“, sagt Crump. „Auch in diesem Bereich haben wir sehr wertvolle Erkenntnisse gewonnen.“

Vor allem in der Bearbeitung von Metallen – schweißen, schneiden oder bohren – hofft die Industrie auf hochbrillante und leistungs­starke Dioden­laser, da sie besonders umwelt­freundlich arbeitende, kompakte Systeme ermöglichen. Bisherige Industrie­laser erzeugen den Strahl wenig energieeffizient in aufwändig zu kühlenden großen Apparaten, aus denen der Strahl via Glasfaser­kabel zum Werkstück übertragen werden muss. Mit den im BRIDLE-Projekt entwickelten Dioden­lasern wird nun die für die Industrie wichtige Brillanz erreicht.

Ein Laser gilt dann als brillant, wenn sich sein Strahl über eine Distanz von einem Meter auf einen winzigen Punkt von nur 0,1 Millimeter fokussieren lässt. Die BRIDLE-Partner demonstrierten mit einem Ein-Kilowatt-Laser­kopf, dass das direkte Schneiden von Stahl möglich ist. Solche Systeme sind für kompakte und energie­effiziente Laser­module besonders geeignet.

Diodenlaser wandeln Energie besser als jedes andere System in Licht um. Sie sind zudem preiswert in der Massen­produktion, da sie zu Tausenden auf einem Wafer prozessiert werden und sich in kleine und besonders zuverlässige Module integrieren lassen. „Wir sind dabei, die hervor­ragenden Resultate von BRIDLE noch weiter zu verbessern – für einen schnellen Transfer in die Industrie“, sagt Crump. Die am FBH entwickelten Dioden­laser ermöglichten einen technologischen Vorsprung, der für den Weltmarkt entscheidend sei.

FVB / DE